韓 陽,董志新,肖乾穎,陸傳豪,胡 磊,朱 波*,汪 濤

無動(dòng)力級(jí)聯(lián)生物濾池對(duì)山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的凈化效果

韓 陽1,2,3,董志新1,2,肖乾穎1,2,3,陸傳豪1,2,3,胡 磊1,2,3,朱 波1,2*,汪 濤1,2

(1.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川 成都 610041；2.中國科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041；3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

依據(jù)低山丘陵地形,結(jié)合生態(tài)凈化原理,構(gòu)建一套無動(dòng)力級(jí)聯(lián)生物濾池系統(tǒng),通過整年連續(xù)監(jiān)測(cè),研究了四川盆地低山丘陵區(qū)村鎮(zhèn)分散生活污水的排放與級(jí)聯(lián)生物濾池的凈化效率及其影響因素.結(jié)果表明,村鎮(zhèn)生活排放污水中化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)的平均濃度分別為147.33, 32.52, 14.39, 3.03mg/L;級(jí)聯(lián)生物濾池對(duì)COD、TN、TP的平均削減率分別為59.6%, 60.8%, 67.4%,其中級(jí)聯(lián)式生物濾池單元是削減污染物的核心,削減率分別為39.1%, 44.1%, 54.1%;級(jí)聯(lián)生物濾池對(duì)氮磷的削減率呈夏季(秋季)>春季>冬季的季節(jié)特點(diǎn).級(jí)聯(lián)生物濾池的凈化效果主要受污染物進(jìn)水濃度、溫度、生物量、水力負(fù)荷(HL)等影響.因此,后期可通過耐低溫植物補(bǔ)植、雨污分流等強(qiáng)化措施,進(jìn)一步優(yōu)化削減效果,提升系統(tǒng)的普適性.

生態(tài)凈化；農(nóng)村；生活污水；氮磷去除；削減率

近年來,過量氮磷輸入導(dǎo)致江河或湖泊富營養(yǎng)化已成為主要環(huán)境問題之一.根據(jù)《第一次全國污染源調(diào)查公報(bào)》[1]、《第三次全國農(nóng)業(yè)普查》[2]數(shù)據(jù),我國農(nóng)村地區(qū)每年產(chǎn)生超過9′109t廢水,其中僅有17.4%的村鎮(zhèn)生活污水得到了集中或部分集中凈化,而中西部地區(qū)僅為12.1%.由于缺乏污水凈化設(shè)施,大部分農(nóng)村生活污水未經(jīng)凈化直接排入附近水域,加劇了地表水體的富營養(yǎng)化和水質(zhì)惡化[3].因此,選擇適合農(nóng)村的生活污水凈化措施與工藝已成為十分迫切的問題.

迄今為止,已有生態(tài)工程措施應(yīng)用于農(nóng)村生活污水凈化[4-5],如生態(tài)溝渠、人工濕地等生態(tài)凈化技術(shù)[5].但這些措施在凈化農(nóng)村生活污水過程中仍存在大量不足,如出水水質(zhì)波動(dòng)大,易受溫度、濕地植物種類和污染物濃度等[6]的影響;下滲濕地的堵塞;沉積物、過濾材料和腐爛植物的二次污染等問題突出,導(dǎo)致生態(tài)凈化方法的推廣應(yīng)用困難[7].此外,生態(tài)凈化方法盡管在污染物削減和經(jīng)濟(jì)成本方面優(yōu)于污水處理廠,但對(duì)土地需求較高,特別是在可利用土地較少的山區(qū)受到限制[8].因此,如何在經(jīng)濟(jì)低廉且減少土地需求的前提下,通過生態(tài)工程的方法凈化山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn).

生物濾池作為污水凈化工程中應(yīng)用最早且最廣泛的工藝之一[9],其主要依靠自然水體的自凈機(jī)制,如曝氧、植物吸收、硝化和反硝化、沉淀、吸附、揮發(fā)等[10],具有工程控制性強(qiáng)、耐沖擊負(fù)荷、成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[11].但在應(yīng)用于山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水凈化方面仍存在不足,一方面,在低碳氮比(C/N)和低溶解氧(DO)濃度下,大多數(shù)植物不容易長時(shí)間存活[12-13];另一方面,流速不穩(wěn)定,生物濾池的凈化能力有限[14].因此,為解決山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水凈化問題,利用和改造生物濾池以適用于山區(qū)村鎮(zhèn)變得十分迫切.

本研究選擇長江上游一個(gè)典型山區(qū)村鎮(zhèn)作為試驗(yàn)示范點(diǎn),建設(shè)一套由沉降溝渠、滯留池、跌落曝氧、多級(jí)生物過濾無縫鏈接的級(jí)聯(lián)生物濾池系統(tǒng).利用水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果,評(píng)估該系統(tǒng)對(duì)山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的凈化性能及其影響因素,為山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水生態(tài)凈化工程的建設(shè)提供技術(shù)支撐.

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

依托位于四川盆地中部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)的中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(105o27′24″E, 31o16′31″N)開展研究.研究區(qū)域?qū)僦衼啛釒駶櫺约撅L(fēng)氣候,年平均氣溫17.3℃,年均降雨量836mm,大多數(shù)降雨發(fā)生在6～9月[15].林山鄉(xiāng)村鎮(zhèn)面積約2.32hm2,常駐人口約800人,村民以外出務(wù)工為主要收入來源;村鎮(zhèn)餐館、茶坊、商鋪分布較多,每隔2～3d有大規(guī)模的農(nóng)村集市活動(dòng),人流可達(dá)3000人左右,集市散場后街道未清掃.每天產(chǎn)生約20～150m3的生活污水,直接排入居民點(diǎn)附近的排水溝渠.

1.2 無動(dòng)力級(jí)聯(lián)生物濾池工藝設(shè)計(jì)

村鎮(zhèn)生活污水由每戶居民下水管道排入村鎮(zhèn)公路兩旁的自然排水溝渠(雨、污未分流),因此在排水溝末端地勢(shì)低洼處建設(shè)匯流溝,利用地勢(shì)自流匯入測(cè)量池(2m′2m′2m),污水排量設(shè)置薄壁三角堰(90°)測(cè)定[16],測(cè)量池污水自流進(jìn)入前置沉淀單元(U1),沉淀單元溝底鋪設(shè)秸稈以增加C/N,并同時(shí)沉降顆粒態(tài)污染物;后置一滯留池(4.5m′1.5m′1.5m),以穩(wěn)定進(jìn)入級(jí)聯(lián)生物濾池的污水,隨后污水進(jìn)入三級(jí)級(jí)聯(lián)式生物濾池單元(U2).級(jí)聯(lián)生物濾池依托山丘區(qū)高程差建設(shè),并由兩棲植物反應(yīng)濾池(1.5mí 1.5m′1.5m)和同尺寸的水生生物反應(yīng)濾池從高到低交替銜接,并利用高程差設(shè)置自流跌落通道,形成水陸兩棲植物配置與干濕交替的氧化-還原環(huán)境.兩棲植物反應(yīng)濾池中設(shè)置卵石床,篩選根系發(fā)達(dá)、喜濕、抗污染、耐修剪且壽命長的小型喬木移植于卵石床生根,并培育成蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),增加生物膜附著面積,同時(shí)卵石床周圍移植鄉(xiāng)土高富集氮磷水生植物.各級(jí)濾池底部均鋪墊碎石、紫色泥巖及活性炭,厚度20cm.系統(tǒng)池體由鋼筋混凝土構(gòu)筑,依地勢(shì)在坡腳建設(shè),避免擠占耕地,建設(shè)成本約6000元/m2,處理該村鎮(zhèn)污水需60m2,建設(shè)成本遠(yuǎn)低于普通生活污水處理廠.無動(dòng)力級(jí)聯(lián)生物濾池結(jié)構(gòu)與工藝如圖1所示.

1.3 系統(tǒng)維護(hù)與管理

系統(tǒng)啟動(dòng),管理維護(hù)也隨之而行.每周清理測(cè)量池、沉淀單元中懸浮固體廢物;每3個(gè)月從沉淀單元和滯留池中清除累積沉淀物并更換秸稈;每年秋天對(duì)生物濾池的介質(zhì)材料進(jìn)行更新.同時(shí),系統(tǒng)植物定期進(jìn)行養(yǎng)護(hù).例如,每年修剪1次生物濾池中的小喬木,以保持下部水生植物光照;每季收割水生植物預(yù)防腐爛造成二次污染.及時(shí)疏浚清除系統(tǒng)內(nèi)多余淤泥及雜草,以避免堵塞.

1.4 采樣與分析

沿級(jí)聯(lián)生物濾池各單元共設(shè)置6個(gè)污水凈化采樣點(diǎn)S1～S6(圖1),采樣日期為2019年7月～2020年6月,采樣時(shí)間間隔為5d.采樣時(shí)使用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)量采樣點(diǎn)污水的物理化學(xué)參數(shù),包括pH值、溫度()等.

水樣采集后立即送回實(shí)驗(yàn)室分析,使用流動(dòng)分析儀測(cè)定濾液硝酸鹽氮(NO3--N)、氨氮(NH4+-N)、正磷酸鹽(PO43--P);采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法和重鉻酸鹽法測(cè)定原始水樣中總氮(TN)、總磷(TP)和化學(xué)需氧量(COD)濃度[17];過濾0.45mm樣品的總?cè)芙鈶B(tài)氮(TDN)和總?cè)芙鈶B(tài)磷(TDP)的測(cè)定方法同TN、TP.使用TN、TP與TDN、TDP的差值計(jì)算顆粒態(tài)氮(PN)、顆粒態(tài)磷(PP)濃度.

圖1 無動(dòng)力級(jí)聯(lián)生物濾池系統(tǒng)示意

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

使用公式(1)計(jì)算污染物的削減率[18].

=(in-out)/in′100%(1)

使用公式(2)計(jì)算污染物的削減負(fù)荷.

A=(in-out)/′(2)

式中:為污染物削減率, %;in和out分別為級(jí)聯(lián)生物濾池中污染物的流入濃度和流出濃度,mg/L;為進(jìn)水流量,m3/d;為系統(tǒng)面積,m2;A為削減負(fù)荷,g/ (m2×d).

采用Canoco 5.0進(jìn)行冗余分析,SPSS 21軟件進(jìn)行方差及相關(guān)分析,使用顯著水平為0.05表示不同時(shí)空污染物濃度之間差異顯著,并采用Origin 9.0、AutoCAD 2014作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 山區(qū)村鎮(zhèn)分散生活污水的水質(zhì)特性

通過1a的連續(xù)監(jiān)測(cè),獲得了典型山區(qū)村鎮(zhèn)排放的生活污水基本理化特性(表1).結(jié)果發(fā)現(xiàn),研究區(qū)日排污流量為20～228m3/d;pH值在7.14～8.69之間;DO范圍為0.16～5.85mg/L;COD范圍為53.73～ 513.60mg/L.可見,山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的排放流量、污染物濃度均波動(dòng)較大,極不穩(wěn)定.

山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的氮磷形態(tài)及濃度監(jiān)測(cè)表明,TN、PN、NO3--N和NH4+-N的平均濃度分別為32.52, 10.62, 1.73和14.39mg/L,生活污水氮素污染物主要以NH4+-N形態(tài)存在;C/N平均值僅為4.53,表明該村鎮(zhèn)排放的污水是典型的低C/N污水,不利于污水中氮的削減.生活污水中TP、PP和PO43--P的平均濃度分別為3.03, 1.17和1.86mg/L,PO43--P是生活污水主要磷形態(tài).村鎮(zhèn)生活污水中TN、NH4+-N、TP分別超過(GB3838-2002)[19]Ⅴ類水所規(guī)定濃度的15.30、6.20、6.60倍.

表1 村鎮(zhèn)生活污水的理化特性及其污染物濃度

注:-為標(biāo)準(zhǔn)無規(guī)定;a為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)[20]一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn);b為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[19]Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn).

2.2 級(jí)聯(lián)生物濾池的不同單元對(duì)污染物削減

級(jí)聯(lián)生物濾池對(duì)污染物的削減率列入表2.在監(jiān)測(cè)期間,系統(tǒng)對(duì)COD平均削減負(fù)荷、削減率分別為49.27g/(m2×d), 59.6%;對(duì)TN、PN、NO3--N、NH4+-N的平均削減負(fù)荷為5.39, 1.96, 0.38, 2.99g/(m2×d),平均削減率分別為60.8%, 91.0%, 74.3%, 66.0%;對(duì)TP、PP、PO43--P的平均削減負(fù)荷分別為1.24, 0.57, 0.74g/(m2×d),平均削減率分別為67.4%, 88.8%, 63.4%.經(jīng)系統(tǒng)削減后全年出水水質(zhì)平均可達(dá)到(GB18918-2002)[20]一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn).

表2 不同凈化單元對(duì)污染物的削減率、削減負(fù)荷

其中沉淀單元對(duì)PN、PP的削減貢獻(xiàn)最大,削減率達(dá)60.2%, 56.3%;三級(jí)級(jí)聯(lián)式生物濾池單元對(duì)COD、NO3--N、NH4+-N、PO43--P的削減效果最好,削減率可高達(dá)39.1%, 63.9%, 55.3%, 52.9%.可以看出,無動(dòng)力級(jí)聯(lián)生物濾池不同凈化單元對(duì)污染物均有很好的削減效果,但對(duì)不同污染物的削減率差異較大(<0.05).

同時(shí),級(jí)聯(lián)生物濾池各凈化單元逐步提高了污水DO的含量,S1進(jìn)口DO含量為2.84mg/L,經(jīng)沉淀單元后DO含量增加0.82mg/L,經(jīng)多級(jí)生物濾池單元跌落曝氧后DO含量增加2.83mg/L.這說明村鎮(zhèn)生活污水在進(jìn)入多級(jí)生物濾池單元后,自然跌落可以有效地提高污水中DO濃度(圖2).

圖2 不同采樣點(diǎn)DO濃度

2.3 級(jí)聯(lián)生物濾池對(duì)污染物削減的季節(jié)特征

如圖3所示,系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的削減率在夏季最高,為89.7%;對(duì)PN、PP及PO43--P的削減率在秋季最高,分別為86.4%、93.6%、65.0%.系統(tǒng)夏季對(duì)TN的削減率為73.5%,春季、秋季和冬季分別比夏季低28.8%、4.3%和41.2%,且隨氣溫、生物量的增長呈現(xiàn)較好的一致性;秋季對(duì)TP的削減率為68.7%,春季、夏季和冬季分別比秋季低23.1%、11.4%和30.1%;對(duì)TN和TP的削減率均在冬季最低,分別為32.3%、38.0%,且各季節(jié)間差異顯著(<0.05).

2.4 水力條件對(duì)污染物削減的影響

村鎮(zhèn)生活污水日排放量受集鎮(zhèn)活動(dòng)及降雨的影響,出現(xiàn)較大浮動(dòng).據(jù)實(shí)際運(yùn)行條件,將系統(tǒng)進(jìn)水劃分為4級(jí)不同水力負(fù)荷條件.不同水力條件下系統(tǒng)對(duì)污染物削減率如圖4所示.系統(tǒng)在HL1條件下對(duì)TN、NO3--N和NH4+-N削減率最高,分別為73.3%, 81.5%, 82.5%;在HL4條件下削減率最低,分別為43.1%、65.4%、46.3%.系統(tǒng)對(duì)TN、NO3--N和NH4+-N的削減率與水力負(fù)荷均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系, Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.82, -0.94和-0.84(< 0.05).在HL4條件下,系統(tǒng)對(duì)TP、PP、PO43--P的削減率最低,分別為47.7%, 59.2%, 44.4%.然而,在水力負(fù)荷低于HL4條件下,HL1、HL2和HL3三種水力負(fù)荷對(duì)TP、PO43--P的削減差異不顯著.僅對(duì)PP的削減率與水力負(fù)荷呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(2=0.83,<0.05).

不同小寫字母表示不同季節(jié)間生物量、污染物消減率差異達(dá)顯著水平(<0.05)

圖4 不同水力負(fù)荷氮磷的削減率

不同水力負(fù)荷條件HL1<50m3/d;HL2:50～100m3/d;HL3:100～150m3/d;HL4>150m3/d,不同小寫字母表示不同水力負(fù)荷條件下污染物消減率差異達(dá)顯著水平(<0.05)

3 討論

3.1 級(jí)聯(lián)生物濾池凈化效率的主要影響因素

通過冗余分析可知(圖5),污水進(jìn)水濃度等理化特性及溫度、HL等運(yùn)行條件解釋了級(jí)聯(lián)生物濾池出水水質(zhì)總變化的70.2%.COD、TN、NH4+-N、TP的出水濃度與級(jí)聯(lián)生物濾池的該污染物的進(jìn)水濃度呈正比,且相關(guān)性最大;與溫度、生物量、HL、進(jìn)水NO3--N濃度、N:P呈反比,且與污染物出水濃度的相關(guān)性為:溫度>NO3--N濃度>HL>N: P>生物量.

圖5 出水水質(zhì)與環(huán)境因子相互關(guān)系的冗余分析排序

季節(jié)間系統(tǒng)對(duì)污染物的削減差異主要體現(xiàn)在溫度的顯著變化.研究表明,在氣溫高于8℃,系統(tǒng)出水水質(zhì)可達(dá)(GB18918-2002)[20]一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn);低于8℃,系統(tǒng)出水水質(zhì)未能達(dá)標(biāo)排放(圖6).一方面,溫度對(duì)系統(tǒng)中硝化、反硝化細(xì)菌的活性有影響[21],從而影響系統(tǒng)的硝化-反硝化能力;硝化細(xì)菌與反硝化細(xì)菌最適溫度為25～30℃[14],這與當(dāng)?shù)叵募镜臏囟认嗨?有利的溫度條件提高了系統(tǒng)硝化-反硝化能力;另一方面,溫度亦影響著系統(tǒng)高富集氮磷水生植物的生長,進(jìn)而影響植物對(duì)氮磷的吸收[22].因此,在氣溫較高的夏季,適宜的溫度為微生物氧化還原作用及植物吸收利用提供了有利條件,從而使級(jí)聯(lián)生物濾池達(dá)到較好的脫氮效果.

另外,HL對(duì)級(jí)聯(lián)生物濾池出水也有較大影響.在較低水力負(fù)荷(HL<50m3/d)時(shí),系統(tǒng)對(duì)氮磷的削減率較高,分別為73%、60%.在有植被覆蓋的凈化系統(tǒng)中,較低的HL有利于氮素與空氣的接觸,利于硝化反應(yīng)以提高對(duì)氮的削減[23].此外,較低的HL有效增加了污水滯留時(shí)間,利于系統(tǒng)對(duì)顆粒態(tài)污染物的沉降截留[24],這也提高了系統(tǒng)對(duì)磷的截留能力.在本研究中,當(dāng)HL<100m3/d時(shí),系統(tǒng)有利于氮素與空氣、植物根系的接觸,促進(jìn)系統(tǒng)植物對(duì)氮素的吸收、沉降截留及硝化作用,使得出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放;當(dāng)100m3/d< HL<150m3/d時(shí),系統(tǒng)出水主要受集鎮(zhèn)活動(dòng)增加排污的影響而未能達(dá)標(biāo)排放;HL>150m3/d時(shí),出水水質(zhì)因主要受降雨稀釋影響而達(dá)標(biāo)排放.因此,系統(tǒng)出水達(dá)標(biāo)排放的最大HL為100m3/d,這普遍適用于山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的凈化.

除溫度和HL對(duì)污染物削減的影響以外,還有很多因素也可能影響級(jí)聯(lián)生物濾池削減污染物的效率,包括植物種類、基質(zhì)材料、后期維護(hù)等[23-25].植物在級(jí)聯(lián)生物濾池中發(fā)揮著重要作用,不僅直接吸收氮磷等污染物,而且可通過根系分泌物等改變水體中的污染物濃度、DO、pH值及有機(jī)碳等[26].基質(zhì)材料,如黏土和生物炭等[18],根據(jù)材料的吸附能力,除磷效率也不同[27].

3.2 級(jí)聯(lián)生物濾池的系統(tǒng)優(yōu)化與效益分析

盡管級(jí)聯(lián)生物濾池對(duì)氮磷的削減已表現(xiàn)出較好的潛力,但仍需加強(qiáng)管理,解決在低溫和雨污混雜等條件下系統(tǒng)面臨削減率降低的問題.例如,及時(shí)清淤疏浚、更新介質(zhì)、收割植物等措施均保證了系統(tǒng)的長期可持續(xù)運(yùn)行.為保證生物濾池低溫正常運(yùn)行,必須引入能適應(yīng)低溫生長的植物以彌補(bǔ)低溫條件下削減率較差的缺陷[14].伊樂藻、微齒眼子菜、菹草、竹葉眼子菜等[28]冬季生長旺盛,可以滿足級(jí)聯(lián)生物濾池冬季對(duì)氮磷污染物的高效削減.同時(shí),應(yīng)合理利用山區(qū)自然溝渠,改造或?qū)嵭杏晡鄯至鞯萚29]組合調(diào)控措施,亦可進(jìn)一步提高級(jí)聯(lián)生物濾池對(duì)村鎮(zhèn)生活污水的凈化能力.

我國現(xiàn)階段污水處理設(shè)施的建設(shè)運(yùn)行是基于政府財(cái)政支持,但由于運(yùn)行和維護(hù)成本較高,農(nóng)村地區(qū)污水處理設(shè)施較難維持長期的運(yùn)行管理[30].因而,農(nóng)村地區(qū)污水處理設(shè)施的建設(shè)運(yùn)行成本是影響推廣的一個(gè)重要因素.據(jù)四川省相關(guān)規(guī)定,生活污水在直接排放的情況下,排污業(yè)主需繳納污染稅2.8元/t[31].無動(dòng)力級(jí)聯(lián)生物濾池系統(tǒng)的建設(shè)成本約36萬元,維護(hù)運(yùn)行成本約為0.08 元/t,遠(yuǎn)低于其他生態(tài)凈化系統(tǒng)[32].同時(shí),處理后的污水用于農(nóng)田灌溉亦可實(shí)現(xiàn)部分環(huán)境效益.雖然該效益是中水回用取代自來水成本計(jì)算的間接效益,但長期運(yùn)行的效益遠(yuǎn)高于繳納污染稅.可見,該研究驗(yàn)證了級(jí)聯(lián)生物濾池系統(tǒng)作為一種無動(dòng)力、立體化的生態(tài)凈化技術(shù)在長江上游山區(qū)農(nóng)村應(yīng)用的有效性,為從根本上解決長江上游農(nóng)村分散式生活污水提供了一定的技術(shù)支撐.

4 結(jié)論

4.1 山區(qū)村鎮(zhèn)排水雨污混雜,其流量、濃度極不穩(wěn)定,且受村鎮(zhèn)人口流動(dòng)和降雨特性的影響.污水中COD、TN、NH4+-N、TP均遠(yuǎn)超(GB3838-2002)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),且以NH4+-N、PO43--P為主.無動(dòng)力級(jí)聯(lián)生物濾池對(duì)山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水COD、TN、TP的平均削減率分別為59.6%、60.8%、67.4%;經(jīng)系統(tǒng)削減后全年出水平均可達(dá)標(biāo)排放.

4.2 無動(dòng)力級(jí)聯(lián)生物濾池有效削減村鎮(zhèn)生活污水氮磷污染主要受污染物進(jìn)水濃度、溫度、生物量、HL等影響,溫度>8℃或HL<100m3/d時(shí),系統(tǒng)出水水質(zhì)可達(dá)標(biāo)排放.無動(dòng)力級(jí)聯(lián)生物濾池作為一種較完善的農(nóng)村分散式生活污水處理技術(shù),可在類似地區(qū)以較低成本構(gòu)建并運(yùn)行,對(duì)于長江上游地區(qū)乃至我國山區(qū)農(nóng)村生活污水的治理都具有一定的推廣價(jià)值.

[1] 國家統(tǒng)計(jì)局.第一次全國污染源普查公報(bào) [R]. 北京:國家統(tǒng)計(jì)局, 2010. National Bureau of Statistics. Communique of the first national census of pollution sources [R]. Beijing:National Bureau of Statistics, 2010.

[2] 國家統(tǒng)計(jì)局.第三次全國農(nóng)業(yè)普查公報(bào) [R]. 北京:國家統(tǒng)計(jì)局, 2017. National Bureau of Statistics.Communique of the third national agricultural census [R]. Beijing:National Bureau of Statistics, 2017.

[3] Hu Z, Liu J, Zheng W, et al. Highly-efficient nitrogen removal from domestic wastewater based on enriched aerobic/anoxic biological filters and functional microbial community characteristics [J].Journal of Cleaner Production, 2019,238(20):867-868.

[4] Anderson J C, Joudan S, Shoichet E, et al. Reducing nutrients, organic micropollutants, antibiotic resistance, and toxicity in rural wastewater effluent with subsurface filtration treatment technology [J]. Ecological Engineering, 2015,84(8):375-385.

[5] 聶新軍,孫燕萍,鐘 亮,等.復(fù)合介質(zhì)生物濾器處理農(nóng)家樂污水 [J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 2016,32(3):507-511. Nie X J, Sun Y P, Zhong L, et al. Effect of composite-medium bio-filter treating wastewater “Farm Household Tourism” [J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2016,32(3):507-511.

[6] Lucke T, Nichols P W B. The pollution removal and stormwater reduction performance of street-side bioretention basins after ten years in operation [J]. Science of the Total Environment, 2015,536(12): 784-792.

[7] Jia H, Yao H, Tang Y, et al. Lid-bmps planning for urban runoff control and the case study in china [J]. Journal of Environmental Management, 2015,149(10):65-76.

[8] Wu H, Zhang J, Ngo H H, et al. A review on the sustainability of constructed wetlands for wastewater treatment: Design and operation [J]. Bioresource Technology, 2015,175(10):594-601.

[9] 布庫魯,楊 健.高負(fù)荷生物濾池處理城市污水研究進(jìn)展 [J]. 環(huán)境工程, 2004,22(1):22-25. Bu L K, Yang J. Progress in research on treating urban sewage by high rate biofilter [J]. Environment Engineering, 2004,22(1):22-25.

[10] Vymazal J, Brezinova T D. Removal of nutrients, organics and suspended solids in vegetated agricultural drainage ditch [J]. Ecological Engineering, 2018,118(4):97-103.

[11] Wu Y, Dai H, Wu J. Comparative study on influences of bank slope ecological revetments on water quality purification pretreating low-polluted waters [J].Water, 2017,9(9):636-648.

[12] 陶 敏,賀 鋒,胡 晗,等.碳氧調(diào)控下人工濕地凈化效果的協(xié)同與拮抗研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2015,35(12):3646-3652.Tao M, He F, Hu H, et al. Synergistic and antagonistic effect of treatment performance of constructed wetlands under artificial aeration and external carbon source [J]. China Environmental Science, 2015,35(12):3646-3652.

[13] 高玉珊,王煥華,許仕榮,等.復(fù)合垂直流人工濕地對(duì)有機(jī)磷阻燃劑的凈化 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2020,40(7):3003-3009. Gao Y S, Wang H H, Xu S R, et al. Study on purification of organophosphorus flame retardants by integrated vertical-flow constructed wetlands [J]. China Environmental Science, 2020,40(7): 3003-3009.

[14] Kumwimba M N, Meng F, Iseyemi O, et al. Removal of non-point source pollutants from domestic sewage and agricultural runoff by vegetated drainage ditches (vdds): Design, mechanism, management strategies, and future directions [J]. Science of the Total Environment, 2018,639(5):742-759.

[15] Wang Z, Yao S, Cheng M, et al. Purification of small-scale stagnant water in urban regions: Human-powered water lift and bank-based constructed wetland [J]. Ecological Engineering, 2015,83(6):108-111.

[16] 廖愛民,劉九夫,張建云,等.實(shí)驗(yàn)小流域尺度下高精度水位計(jì)的比測(cè)分析 [J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2019,30(3):337-347. Liao A M, Liu J F, Zhang J Y, et al. Intercomparison of high-accuracy water level gauges in the scale of small experimental catchment [J]. Advances in Water Science, 2019,30(3):337-347.

[17] Wang T, Zhu B, Zhou M H. Ecological ditch system for nutrient removal of rural domestic sewage in the hilly area of the central sichuan basin, china [J]. Journal of Hydrology, 2019,570(1):839-849.

[18] Liu F, Wang Y, Xiao R, et al. Influence of substrates on nutrient removal performance of organic channel barriers in drainage ditches [J]. Journal of Hydrology, 2015,527(4):380-386.

[19] GB 3838-2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) [S]. GB 3838-2002 Environmental quality standards for surface water [S].

[20] GB 18918-2002 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn) [S]. GB 18918-2002 Discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant [S].

[21] Soana E, Gavioli A, Tamburini E, et al. To mow or not to mow: Reed biofilms as denitrification hotspots in drainage canals [J]. Ecological Engineering, 2018,113(12):1-10.

[22] 劉 蓮,汪 濤,任 曉,等.不同植物對(duì)溝渠沉積物反硝化速率及功能基因的影響研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2019,39(6):1808-1815. Liu L, Wang T, Ren X, et al. Effects of plant species on denitrification and functional genes in ditch sediment [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2019,39(6):1808-1815.

[23] Castaldelli G, Aschonitis V, Vincenzi F, et al. The effect of water velocity on nitrate removal in vegetated waterways [J]. Journal of Environmental Management, 2018,215(3):230-238.

[24] Kumwimba M N, Dzakpasu M, Zhu B, et al. Nutrient removal in a trapezoidal vegetated drainage ditch used to treat primary domestic sewage in a small catchment of the upper yangtze river [J]. Water and Environment Journal, 2017,31(1):72-79.

[25] Meyer D, Molle P, Esser D, et al. Constructed wetlands for combined sewer overflow treatment-comparison of german, french and italian approaches [J]. Water, 2012,5(1):1-12.

[26] 秦紅杰,張志勇,劉海琴,等.兩種漂浮植物的生長特性及其水質(zhì)凈化作用 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2016,36(8):2470-2479. Qin H J, Zhang Z Y, Liu H Q, et al. Growth characteristics and water purification of two free-floating macrophytes [J]. China Environmental Science, 2016,36(8):2470-2479.

[27] Tondera K. Evaluating the performance of constructed wetlands for the treatment of combined sewer overflows [J]. Ecological Engineering, 2019,137(10):53-59.

[28] 藺 芳.4種耐低溫沉水植物對(duì)富營養(yǎng)化水體除磷去氮的研究 [J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報(bào), 2018,24(22):108-109. Lin F. Removal of phosphorus and nitrogen from eutrophic water by four kinds of low temperature Submerged Plants [J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2018,24(22):108-109.

[29] 王 石,陳麗媛,孫 翔,等.從“大截排”到清源和低影響開發(fā)——基于水質(zhì)目標(biāo)約束的情景模擬與規(guī)劃 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2017, 37(10):3981-3990. Wang S, Chen L Y, Sun X, et al. From rainwater and sewage interception to separation system combined with low impact development reconstruction in urban built-up area: A water quality constrained scenario stimulation and programming [J]. China Environmental Science, 2017,37(10):3981-3990.

[30] Zhang P, Huang G H, An C J, et al. An integrated gravity-driven ecological bed for wastewater treatment in subtropical regions: Process design, performance analysis, and greenhouse gas emissions assessment [J]. Journal of Cleaner Production, 2019,212(12):1143- 1153.

[31] 四川省生態(tài)環(huán)境廳.四川省環(huán)境保護(hù)稅應(yīng)稅污染物排放量抽樣測(cè)算方法 [R]. 成都:四川省生態(tài)環(huán)境廳, 2020. Sichuan Provincial Department of Ecology and Environment.Sample measurement method of pollutant emission from environmental protection tax in sichuan province [R]. Chengdu:Sichuan Provincial Department of Ecology and Environment, 2020.

[32] Duan J J, Geng C G, Li X, et al. The treatment performance and nutrient removal of a garden land infiltration system receiving dairy farm wastewater [J]. Agricultural Water Management, 2015,150(12): 103-110.

致謝：本實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場采樣工作由中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站等工作人員協(xié)助完成,在此表示感謝.

Purification effect of non-dynamic cascading bio-filter on domestic sewage in a mountainous village.

HANYang1,2,3, DONG Zhi-xin1,2, XIAO Qian-ying1,2,3, LU Chuan-hao1,2,3, HU Lei1,2,3, ZHU Bo1,2*, WANG Tao1,2

(1.Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China；2.Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China；3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)., 2021,41(5)：2232～2239

The present study investigated the performances of a set of non-power cascade bio-filter system constructed based on the low mountains and hills terrain on rural sewage. A continuous one-year monitoring of the performances of this system had been carried out in the typical rural village in low mountainous areas of the Sichuan Basin. The results showed that the average concentrations of chemical oxygen demand (COD), total nitrogen (TN), ammonium nitrogen (NH4+-N) and total phosphorus (TP) in the rural domestic sewage were 147.33, 32.52, 14.39 and 3.03mg/L, respectively. The average removal efficiencies of COD, TN and TP in the cascading bio-filter were 59.6%, 60.8% and 67.4%, with the multi-stage bio-filter units being 39.1%, 44.1% and 54.1%, respectively. The seasonal reduction rates of TN and TP were in the order of summer (autumn) > spring > winter. Influent concentrations, air temperature, plant biomass and hydraulic loading (HL) were regulators of the purification efficiency. Thus, the low-temperature-resistant plants and rain-sewage separation in the later stage to optimize purifying efficiency and improve the general applicability were recommended to improve domestic sewage purification to protect water environment in mountainous villages of the upper reaches of the Yangtze River.

ecological purification；rural area；domestic sewage；nitrogen and phosphorus removal；removal efficiencies

X703

A

1000-6923(2021)05-2232-08

韓 陽(1996-),男,四川巴中人,中國科學(xué)院大學(xué)碩士研究生,主要從事山區(qū)面源污染控制.

2020-10-12

四川省環(huán)境治理與生態(tài)保護(hù)重大科技專項(xiàng)(2018SZDZX0025); 四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(21DYF3176)

* 責(zé)任作者, 研究員, bzhu@imde.ac.cn